JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Ergebnisse
Discussion
Offenlegungen
Acknowledgements
Materials
Referenzen
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Ingenieurwesen

Crack monitoring in resonantie Vermoeiingstesten van gelaste specimens met behulp van digitale beeld correlatie

Published: September 29, 2019
doi:
10.3791/60390
,
1Institute for Ship Structural Design and Analysis,Hamburg University of Technology (TUHH)

Summary

Digitale beeld correlatie wordt gebruikt in vermoeiingstests op een resonantie testmachine om macroscopische scheuren te detecteren en scheur vermeerdering in gelaste specimens te bewaken. Scheuren op het preparaat oppervlak worden zichtbaar als toegenomen stammen.

Abstract

Een procedure met behulp van digitale afbeelding correlatie (DIC) voor het opsporen van scheuren op gelaste specimens tijdens vermoeiingstests op resonantie testmachines wordt gepresenteerd. Het is bedoeld als een praktische en reproduceerbare procedure om macroscopische scheuren in een vroeg stadium te identificeren en de scheur vermeerdering tijdens vermoeiingstests te monitoren. Het bestaat uit stam veldmetingen aan de las met behulp van DIC. Beelden worden genomen bij vaste laadcyclus intervallen. Scheuren worden zichtbaar in de berekende stam veld als verhoogde stammen. Op deze manier kan de hele breedte van een kleinschalig preparaat worden bewaakt om te detecteren waar en wanneer een scheur begint. Vervolgens is het mogelijk om de ontwikkeling van de scheur lengte te bewaken. Omdat de resulterende beelden worden opgeslagen, zijn de resultaten controleerbaar en vergelijkbaar. De procedure is beperkt tot scheuren die aan het oppervlak worden geïnitieerd en is bedoeld voor vermoeiingstests onder laboratoriumomstandigheden. Door het visualiseren van de scheur, de gepresenteerde procedure maakt directe observatie van macro scheuren van hun vorming tot breuk van het preparaat.

Introduction

Lassen zijn bijzonder gevoelig voor Vermoeidheids schade. Hun vermoeiingseigenschappen worden vaak bepaald op kleinschalige specimens die efficiënt kunnen worden getest. Tijdens de tests wordt een cyclische belasting toegepast. Uiteindelijk zal een scheur initiëren en groeien tot macroscopische grootte. De scheur zal dan groeien en propageren door het specimen. De test wordt meestal uitgevoerd totdat het preparaat volledig uitvalt. Het resultaat van de test is het aantal belastingscycli tot de storing voor de toegepaste belasting. Deze laatste mislukking is meestal duidelijk. Aan de andere kant, crack initiatie is complexer om te bepalen. Het kan echter van belang zijn bij onderzoeken naar parameters die niet uniform zijn over de dikte van het preparaat of die specifiek van invloed zijn op de scheur initiatie (bijv. residuele spanningen of nabehandeling).

Er bestaan verschillende methoden voor het opsporen van scheuren tijdens vermoeiingstests. De eenvoudigste zijn visuele inspectie, kleurstof penetratie testen, of de toepassing van stam manometers. Meer geavanceerde methoden omvatten thermografie, echografie, of Eddy huidige testen. Scheur vermeerdering kan worden bepaald met behulp van de afspan meters, akoestische emissie of de mogelijke druppel methode.

De voorgestelde procedure maakt gebruik van digitale beeld correlatie (DIC) om oppervlakte stammen op het preparaat te visualiseren. Het maakt detectie van de vorming van macroscopische scheuren tijdens vermoeiingstests. Bovendien kan scheur vermeerdering tijdens de test worden bewaakt. Voor DIC wordt een onregelmatig patroon toegepast op het preparaat oppervlak en bewaakt door camera’s. Van de vervorming van het patroon onder het laden, oppervlakte stammen worden berekend. Scheuren zullen verschijnen als verhoogde stammen hoger zijn dan een gedefinieerde drempelwaarde (> 1%) en dus zichtbaar worden.

Met de voorbaat van computationele technologieën wordt DIC steeds populairder voor industriële en onderzoekstoepassingen. Verschillende commerciële meetsoftware systemen en open-source software zijn beschikbaar1. De voorgestelde procedure biedt een ander gebruik van een technologie die reeds beschikbaar is in een toenemend aantal onderzoeksfaciliteiten in de mechanische en civiele techniek.

Vergeleken met visuele inspecties of kleurstof penetratie testen, is de voorgestelde procedure niet gebaseerd op subjectieve perceptie, die afhangt van de ervaring van een operator en de lokale geometrie bij de lasnaad. Zelfs bij een hoge vergroting kan het lastig zijn om scheuren in een vroeg stadium te detecteren (d.w.z. scheur initiatie), vooral als de exacte locatie niet vooraf bekend is. Bovendien worden met behulp van DIC de resultaten gered en dus reproduceerbaar en vergelijkbaar, terwijl visuele inspectie slechts kortstondig mogelijk is.

Met behulp van een volledige veld meting maakt de procedure het mogelijk de gehele breedte van het preparaat of de lengte van de Las te bewaken. Met behulp van stam manometers, het zou nodig zijn om verschillende meters toepassen op de specimen breedte, omdat de meting is gelokaliseerd. De veranderingen in het spanningsmeter signaal zouden afhangen van de afstand en de positie ten opzichte van de scheur. Het resultaat zou afhangen van de vraag of de scheur tussen twee Gauges of toevallig voor één zou beginnen.

Een ander voordeel van DIC is dat het visueel is, en het geeft een beschrijvend beeld van de scheur. Met behulp van rek meters voor scheur detectie of akoestische emissie voor scheur groei, de scheur lengte zelf wordt niet bewaakt, maar het wordt bepaald door veranderingen in de gemeten spanning of akoestische signalen respectievelijk. Bijvoorbeeld, in Shrama et al.2 dic toegestaan voor het begrijpen en interpreteren van akoestische emissie signalen. Andere beïnvloedende factoren of storende signalen kunnen het gemeten signaal beïnvloeden, wat tot onzekerheden leidt en een zorgvuldige interpretatie van de resultaten vereist.

Verschillende toepassingen van DIC voor het bewaken van scheuren in vermoeiingstests zijn gemeld. In veel gevallen wordt dic gebruikt om het spanningsveld te beoordelen op de crack tip3,4,5 en de stress-intensiteit factoren6,7,8 te bepalen of vermoeiings schade te detecteren op een microscopisch schaal9,10. In deze gevallen worden microscopische afbeeldingen gebruikt om gebieden van belang te onderzoeken in het bereik van enkele millimeters. De geteste specimens bestaan uit machinaal vervaardigd basismateriaal met afmetingen in het millimeter bereik. Grotere meet gebieden werden door Tavares et al.11 opgenomen om de stress-intensiteits factoren te bepalen, door shrama et al.2 om akoestische emissie signalen te bestuderen, en door hasheminejad et al.12 om scheuren in asfalt beton te onderzoeken. Poncelet et al.13 toegepast dic voor het opsporen van scheur initiatie op basis van de relatieve stam increment over een bepaald aantal belastingscycli. De tests werden uitgevoerd op specimens met een bewerkt oppervlak. Gelaste14,15 of gesoldeerd specimens16 werden bestudeerd met behulp van dic te registreren van de ontwikkeling van stammen tijdens vermoeiingstests. De specimens werden vanaf de zijkant waargenomen, waarbij de ontwikkeling van de scheur in de diepte richting, aan de rand van het preparaat, werd getoond.

Alle bovengenoemde experimenten werden uitgevoerd op Servo-hydraulische testmachines met belasting frequenties van een paar Hertz (< 15 Hz). Meestal werden de tests onderbroken om de beelden voor DIC op te nemen. VANLANDUIT et al.17 nam beelden tijdens de running test en toegepaste algoritmen om te compenseren voor de verschillende testen en beeldopname frequenties. Lorenzino et al.18 voerde tests uit op een resonantie testmachine en veroverde dic-beelden met microscopische camera’s. Kovárík et al.19,20 uitgevoerd tests op een resonantie testmachine met een frequentie van 100 Hz zonder onderbrekingen, met behulp van een procedure zeer vergelijkbaar met de hier gepresenteerde. De tests werden uitgevoerd op platte, gecoate specimens onder buig belastingen. Een enkele camera en een geactiveerde flitser werden gebruikt voor het vastleggen van beelden van een oppervlakte van ~ 20 x 15 mm. verschillende crack-evaluaties op basis van het spanningsveld en op het verplaatsings veld werden toegepast.

De in dit artikel gepresenteerde procedure wordt toegepast op gelaste specimens die een inkeping vertonen, en dus een stress concentratie. Een 3D-DIC-systeem met twee camera’s wordt gebruikt, waardoor rekening wordt houdend met de verplaatsingen van het preparaat uit het vliegtuig. De camera’s worden geactiveerd terwijl de verlichting constant is. Scheur detectie is gebaseerd op het spanningsveld gemeten op een oppervlakte van 55 x 40 mm.

De procedure biedt een robuuste en vergelijkbare manier om scheuren in vermoeiingstests op te sporen. Bovendien geeft het een record van scheur vermeerdering. Het is toepasbaar op resonantie testmachines met hoge laad frequenties. De tests hoeven niet te worden onderbroken voor metingen en er hoeft tijdens de test geen operator aanwezig te zijn. De procedure kan daarom efficiënt worden toegepast op grote aantallen tests om informatie op te halen over het initiëren en propageren van scheuren.

Protocol

1. preparaat Let op: het gebruik van lasapparatuur is mogelijk gevaarlijk. Het werk moet worden uitgevoerd door gekwalificeerd personeel en volgens de instructies van de fabrikanten. Bereid monsters met de gewenste lasgeometrie (bijv. stomplassen, langsschotje, filet Weld). Als de hele preparaat breedte moet worden gemeten, kan de grootte van het preparaat worden beperkt door het gebied dat door het gebruikte camerasysteem wordt afgebeeld. In de hier gepresenteerde tests werden monsters met een meerlaagse K-Butt Weld tussen twee platen van verschillende diktes gebruikt (Figuur 1). De specimens werden gemaakt van constructiestaal S355 met behulp van metaal actieve gaslassen. Meer informatie over het preparaat kan gevonden worden in Friedrich en Ehlers21. Indien nodig, verzachten concurrerende crack locaties doorslijpen. Dit kan de lasteen aan de andere kant van de plaat of het andere uiteinde van een schotje zijn. Hier moet het oppervlak worden gemalen tot glad en vrij van scherpe inkepingen om scheuren te voorkomen. Reinig het preparaat oppervlak in het gebied rond de las met behulp van een reinigingsdoekje en een reiniger om te ontvetten. Verwijder voorzichtig alle losse materialen van het lasoppervlak en Las teen met een messing draad borstel. Het oppervlak moet olie-en vetvrij zijn. Breng het spikkel patroon voor DIC aan met wisselende toepassingen van zwart-wit spuitverf. Wijs de spray niet direct aan het oppervlak, maar laat de spray nevel zich op het preparaat vestigen. Er is geen continue laag nodig. De spikkel grootte moet zo fijn mogelijk zijn, in de magnitude van 0,1 mm (Zie Figuur 2).Opmerking: matte verf heeft de voorkeur om reflecties te reduceren. 2. test Setup Let op: het gebruik van mechanische of Servo-hydraulische testapparatuur is potentieel gevaarlijk. Wees voorzichtig en volg de instructies van de fabrikant. Plaats de DIC-camera’s om het interessegebied vast te leggen op het preparaat dat in de testmachine is geplaatst. De exacte instelling is afhankelijk van de gebruikte apparatuur. In de hier gepresenteerde tests werden de camera’s gemonteerd op een steiger die horizontaal in de testmachine werd aangebracht (Figuur 3). Pas nauwgezet de focus van de camera doelstellingen aan om ervoor te zorgen dat het gemeten gebied scherp is. Op de gebruikte camera’s wordt dit gedaan door de doelstellingen in of uit te schroeven om de afstand tussen de lenzen en de sensor van de camera te veranderen. Pas de positie van de lichten aan om de verlichting te maximaliseren (hier werden 4 16 Watt LED-lampen gebruikt; dit zorgde voor een uniforme verlichting van het meetgebied, maar ook andere configuraties zijn mogelijk). Het gebruik van polarisatiefilters op de lichten en doelstellingen wordt aanbevolen om reflecties op het metalen oppervlak te verminderen. Kies een geschikte belichtingstijd. Het zal afhangen van de Testfrequentie en moet een klein genoeg fractie (~ 1/35) van de duur van één belasting cyclus. In de hier gepresenteerde test was de blootstellingstijd 0,8 ms voor een Testfrequentie van 34 Hz. Kalibreer het DIC-systeem. De procedure is afhankelijk van het gebruikte systeem en moet worden beschreven in de specifieke gebruikershandleiding. Maak enkele Foto’s met de geselecteerde belichtingstijd. Compute-stammen met behulp van toepasselijk DIC software. Controleer of de beeldkwaliteit goed genoeg is voor het berekenen van alle stammen, dat de spreiding in de resultaten niet overmatig is (in de onbelaste staat stammen moet dicht bij nul), en dat de resultaten betrekking hebben op de hele regio van belang. Als de beelden te donker zijn, past u de belichting aan. Het kan nodig zijn om het diafragma van de doelstellingen te openen, hoewel dit de scherptediepte zal verminderen. Een helderder spikkel patroon kan ook helpen. Verbind de kracht signaaluitgang van de testmachine om de camera’s te triggeren. Een commercieel DIC-systeem met inbegrip van hardware en software waarmee het instellen van de trigger op specifieke intervallen van load cycli werd gebruikt. Voor dit doel worden de belastingscycli geteld door het stijgende kracht signaal dat een bepaalde waarde overschrijdt. Wanneer het opgegeven aantal laadcycli is bereikt, worden de camera’s geactiveerd en begint het tellen opnieuw. Een voorbeeldige triggerlist wordt geleverd als een aanvullend dossier. Voer een testuitvoering uit om de vertraging tussen het triggersignaal en de belichting van de camera te bepalen. Stel de trigger voor de piek van het laad signaal in om de vertraging te compenseren. Bij gebruik van de triggerlist (zie stap 2,7) de parameterwaarde aanpassen aan het vereiste laad signaal in spanning. In de getoonde tests werden de camera’s geactiveerd op respectievelijk 91% en 96% van de maximale kracht. Deze waarden worden alleen als voorbeeld gegeven en zijn niet altijd geschikt.Opmerking: het is niet nodig dat de afbeeldingen exact op de laad piek worden genomen. Toch moeten scheuren zichtbaar worden. Stel de trigger in op een interval van de belastingscycli zodat het totale aantal afbeeldingen over de verwachte testduur in de magnitude 100 − 200 is (bijvoorbeeld elke 10.000-cyclus voor een test met 106 -belasting cycli). Pas in de triggerlist (zie stap 2,7) de waarde van lussen aan het gewenste aantal belasting cycli aan. 3. vermoeiings test Let op: het gebruik van mechanische of Servo-hydraulische testapparatuur is potentieel gevaarlijk. Wees voorzichtig en volg de instructies van de fabrikant. Installeer het preparaat in de testmachine. Indien nodig, neem DIC beelden voor het laden. Dit is niet nodig voor crack detectie, maar het maakt het gebruik van DIC om de oppervlakte belasting te meten onder het laden. Pas de eerste laadcyclus statisch toe. Stop bij maximale belasting en neem wat Foto’s voor DIC. Eén afbeelding moet voldoende zijn, maar omdat de kwaliteit van de DIC-resultaten niet altijd optimaal kan zijn, kan het handig zijn om een paar meer afbeeldingen te kiezen voor analyse. Voor deze afbeeldingen kan een langere belichtingstijd worden gebruikt.Opmerking: deze statische belasting cyclus kan worden weggelaten, maar de beelden die statisch zijn verkregen zijn waarschijnlijk van betere kwaliteit dan die verkregen tijdens de dynamische test, waardoor de DIC-resultaten worden verbeterd. Stel het laad bereik in en start de cyclische test. U ook strand markeringen verkrijgen door intervallen op te halen waarin de bovenste belasting wordt gehandhaafd, maar het laad bereik wordt verlaagd. Voor de voorbeelden hier weergegeven, werd de helft van het laad bereik toegepast in 15.000 cycli voor elke 40.000 reguliere cycli. Strand merken zijn niet nodig voor de gepresenteerde procedure, maar bieden de mogelijkheid om de gedetecteerde scheur lengtes te valideren. Geef de statische en dynamische belasting op en voer de test uit totdat het preparaat uitvalt. In de gepresenteerde tests werden een statische belasting van 0 kN en een dynamische amplitude van 22,5 kN toegepast. Respectievelijk 50 kN statisch en 50 kN dynamische belasting werden gebruikt op het met stress opgelucht preparaat. 4. nabewerking Evalueer de DIC en bereken de spanning in de axiale (beladings) richting van het specimen met behulp van de toepasselijke software. Commerciële software (Zie tabel van de materialen) met de geautomatiseerde berekening van stammen werd gebruikt. Informatie over de berekening van stammen kan worden gevonden in Grédiac en Hild22 en een overzicht van de huidige commerciële en open source dic software wordt gegeven in Belloni et al.1. Gebruik de installatiekopie van de eerste statische belasting cyclus die u in stap 3,3 hebt aangeschaft als een referentieafbeelding. Hier is een facet grootte van 19 x 19 pixels (~ 0,32 x 0,32 mm) en een facet afstand van 15 x 15 pixels toegepast voor de DIC-beoordeling. Maak een plot van de berekende stam en stel de legenda van het plot in op relatief hoge waarden (0,5% tot 1,0%) om mogelijke ruis te onderdrukken. Afhankelijk van de toegepaste software zullen deze plots beschikbaar zijn in de resultaten sectie nadat verplaatsingen en stammen zijn berekend (4,1). Loop door de Afbeeldingsvolgorde die tijdens de duur van de test is verkregen. Een vormende scheur zal zichtbaar worden in termen van verhoogde stammen. Een macroscopische scheur kan optreden wanneer stammen groter zijn dan 1%. Om verschillende testresultaten te vergelijken, kan het interessant zijn om te bepalen wanneer de crack een opgegeven lengte bereikt. Scheur lengtes van ~ 2 mm werden beschouwd als technische of macroscopische scheuren.

Representative Results

Om scheuren op te sporen en de scheur propagatie te monitoren werd de stam in de laad richting van het preparaat uitgezet. Scheuren werden zichtbaar in termen van verhoogde stammen (> 1%). De resultaten van twee vermoeiingstests worden gepresenteerd. De tests werden uitgevoerd bij verschillende belastingen en belasting verhoudingen. De resultaten zijn niet bedoeld voor rechtstreekse vergelijking tussen de twee tests, maar vertegenwoordigen typische uitkomsten van deze tests en tonen de capaciteiten van de gepresenteerde procedure aan. De ontwikkeling van een scheur in een preparaat in as-gelaste condities wordt weergegeven in Figuur 4. Het preparaat bevatte restspanningen veroorzaakt door krimp van de las tijdens het koelen. Ze werden gemeten door röntgendiffractie en gaten boren en berekend door lassimulaties21. Vanwege de Trek spanningen in het midden van het preparaat initieert de scheur op de middellijn. Eerste, de stam begon te verhogen op de plaats van de vorming crack. Er werd uitgegaan van een technische scheur wanneer stammen 1% overschreden over een lengte van 2 mm (N = 755.000). De scheur werd vervolgens symmetrisch aan beide zijden vermeerderd. De gedetecteerde scheur lengte werd vergeleken met strand merken gegenereerd tijdens de test en toonde goede overeenkomst. De video van de DIC resultaten laat zien hoe scheur voortplanting vertraagd tijdens de vorming van de strand merken. De ontwikkeling van een scheur op een met stress verlicht monster wordt getoond in Figuur 5. Scheur initiatie werd niet beïnvloed door restspanningen. Verschillende scheuren gevormd op verschillende locaties langs de las. Na 574.000 cycli werd een scheur van 2 mm gedetecteerd. De enkele scheuren groeide en uiteindelijk verenigd. De gedetecteerde scheur lengte werd opnieuw vergeleken met de strand markeringen. Het genereren van strand merken biedt een goede mogelijkheid om de scheur lengtes gedetecteerd met behulp van de DIC-techniek te valideren. Bovendien biedt het de mogelijkheid om de diepte van de scheur te correleren met de lengte gemeten op het preparaat oppervlak. In een vroeg stadium van de scheur, dicht bij het oppervlak, kan het lastig zijn om strand merken te verkrijgen die duidelijk zichtbaar zijn. Hier toonden de resultaten het voordeel van de DIC-aanpak. Zoals weergegeven in Figuur 4 en Figuur 5 is de uitkomst van de procedure een reeks beelden (of een video) die de ontwikkeling van scheuren bij de las tonen. Uit deze afbeeldingen is het mogelijk om de oorsprong en het aantal scheuren te bepalen. Bovendien kunnen ze worden gebruikt om te bepalen wanneer een scheur een bepaalde lengte heeft bereikt. Scheuren van 2 mm in lengte werden als macroscopisch of technisch beschouwd. Deze scheur lengte kon betrouwbaar worden opgehaald uit de beelden en in deze studie werd gebruikt om de uitkomst van een reeks tests te vergelijken. Bovendien zou deze scheur lengte vanuit technisch oogpunt detecteerbaar zijn in de service met behulp van beschikbare inspectietechnieken. Door het meten van de scheur lengte van de resulterende beelden en correleren aan het aantal belastingscycli, is het ook mogelijk om een scheur groeicurve te tekenen of scheur groeipercentages te bepalen. Deze kunnen van belang zijn in fractuur mechanische berekeningen van scheur propagatie. Figuur 1: meerlaagse K-Butt Weld-specimens die worden gebruikt voor de vermoeiingstests. Afmetingen in millimeters. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 2: spikkel patroon voor digitale beeld correlatie bij de las. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 3: test opstelling met dic-camera’s en-lampen ondersteund door een steiger structuur die boven het preparaat is geïnstalleerd. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 4: procentuele belasting in de beladings richting (verticaal) met de ontwikkeling van een scheur en vergelijking met strand sporen op een preparaat in as-gelaste condities. N = aantal belastingscycli. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 5: procentuele belasting in de beladings richting (verticaal) die de ontwikkeling van scheuren en de vergelijking met strand sporen op een met stress verlicht monster weergeeft. N = aantal belastingscycli. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 6: procentuele belasting in de beladings richting bij maximale belasting op de eerste statische belasting (N = 1) en aan het begin van de vermoeiings test bij verschillende aantallen belastingscycli. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Aanvullend bestand 1: trigger lijst. Klik hier om dit bestand te bekijken (Klik met de rechtermuisknop om te downloaden).

Discussion

De gepresenteerde procedure bestaat uit het gebruik van DIC voor het opsporen en bewaken van vermoeidheid scheuren op gelaste specimens getest op een resonantie testmachine zonder onderbreking van de test. De belangrijkste uitdaging in de toepassing is de hoge belasting frequentie van de resonantie testmachine. Het vereist relatief korte blootstellings tijden en dus een hoge verlichting voor de overname van de beelden voor de DIC-tests. Daarom moet de verlichting worden gemaximaliseerd. Aan de andere kant kunnen reflecties op het metalen oppervlak het gebruik van polarisatiefilters vereisen, waardoor de hoeveelheid licht die de camera’s binnenkomt, wordt verminderd. Om het beschikbare licht beter te kunnen gebruiken, kan het diafragma van de doelstellingen worden vergroot. Dit zal de scherptediepte verminderen. Het is daarom noodzakelijk de focus exact op de afstand van het preparaat oppervlak te stellen en de buiten beweging van het preparaat mag niet hoger zijn dan het gefocuste bereik. De installatie van de camera’s en verlichting vereist bijzondere zorg.

Niettemin zijn de door DIC berekende stammen mogelijk niet erg nauwkeurig (Figuur 6). De berekende stammen kunnen hoge ruis vertonen. Op sommige van de facetten die worden gebruikt voor DIC, het spikkel patroon mogelijk niet herkend en stammen worden niet berekend. Maar de voorgestelde procedure is robuust gebleken met betrekking tot de kwaliteit van de DIC-resultaten. Zelfs als de resultaten niet goed genoeg zijn om de stammen aan de las precies te bepalen, moet het nog steeds mogelijk zijn scheuren te detecteren.

De hier gepresenteerde Butt Weld heeft een relatief gladde lasteen in vergelijking met andere lasgeometrieën. Scheuren zullen waarschijnlijk leiden tot onvolkomenheden langs de las teen met een scherpe Inkeping en dus een hoge stress concentratie. Helaas, het mogelijk niet mogelijk om te evalueren van stammen door DIC op deze exacte locaties omdat de facetten die worden gebruikt voor de berekening kan niet worden herkend. Afbeelding 5 toont bijvoorbeeld een scheur aan de linkerzijde van het preparaat, ontbrekende facetten bij + 25 mm horizontaal/-5 mm verticaal. Maar zoals getoond in het voorbeeld, zelfs als sommige facetten niet worden geëvalueerd is het nog steeds mogelijk om te bepalen wanneer de crack initieert en begint te groeien. Voor lassen met een steilere hoek en scherpere inkepingen (bijv. langsschotje, filet Weld) kan het helpen om de camera’s te kantelen ~ 15 ° om de hoek naar het lasoppervlak te verhogen. De voorgestelde procedure werd ook toegepast op longitudinale verstijgers. Ondanks de relatief scherpe inkeping aan de las teen was het mogelijk om scheur initiatie betrouwbaar te detecteren.

Macroscopische scheuren worden verondersteld wanneer stammen van 1% of meer worden bereikt. In een studie van Kovárík et al.20werd dic toegepast om scheuren op te sporen op met thermische spray beklede, niet-gekerfd specimens. Er werd gesteld dat de drempelwaarde voor crack detectie kan worden vastgesteld in het bereik van 0,5% en 1% zonder de resultaten significant te beïnvloeden. Deze waarden worden bevestigd door de vergelijking met de strand merken (Figuur 4 en Figuur 5). Een lagere waarde leidt tot een eerdere scheur detectie, maar kan gevoeliger zijn voor onzekerheden en minder vergelijkbare resultaten opleveren. Een hogere waarde zal leiden tot een latere herkenning van scheur initiatie, maar de resultaten zullen waarschijnlijk meer vergelijkbaar en reproduceerbaar zijn.

Het toepassen van de eerste laadcyclus statisch (stap 3,3) kan leiden tot tijdrovend gebruik wanneer veel tests worden uitgevoerd. Als er geen plastic stammen optreden bij de lasnaad (inkeping), kan het ook worden weggelaten en de onbelaste toestand (stap 3,2) gebruikt als referentie voor stam berekeningen. Anders kan een van de beelden die aan het begin van de dynamische test zijn verworven, worden gebruikt als de beeldkwaliteit toereikend is (Zie Figuur 6).

Als slechts enkele exemplaren worden getest, mag de insteltijd niet worden onderschat. Het kan enige tijd en iteratieve lussen nodig zijn om de camera’s nauwkeurig te installeren en in te stellen en de kalibratie uit te voeren om de juiste beelden voor de DIC-beoordeling te krijgen.

Preparaat preparaat, aan de andere kant, is snel en goedkoop. Monsters hoeven alleen te worden gereinigd en met kleur gespoten om de spikkel Patter toe te passen. Dit kost weinig kosten en maakt de voorgestelde DIC-procedure praktisch, vooral als een groot aantal specimens zal worden getest.

Een bijkomend voordeel, vooral voor grote verzamelingen van specimens of proeven die ‘s nachts worden uitgevoerd, is dat de camera’s automatisch worden geactiveerd en dat de tests niet hoeven te worden onderbroken.

Een beperking van de DIC-procedure is dat het als optische methode beperkt is tot oppervlakte scheuren. Bovendien moet het te bewaken gebied zichtbaar zijn voor de camera’s terwijl het preparaat in de testmachine is gemonteerd.

De gepresenteerde procedure werd voornamelijk gebruikt om het begin van technische scheuren op te sporen. Maar zoals aangetoond, het zorgt ook voor de beoordeling van scheur groei (bv, om te bepalen scheur vermeerdering percentages). Het resultaat is de lengte zichtbaar op het oppervlak. Crack front kromming kan echter niet worden gedetecteerd.

De procedure bewees de toepasbaarheid ervan op gelaste specimens die een relatief gecompliceerde oppervlakte topologie vertonen. Het moet ook van toepassing zijn op niet-gelaste specimens, aangezien de afwezigheid van geometrische inkepingen de DIC-metingen moet vergemakkelijken. Een soortgelijke procedure is toegepast in Kovárík et al.20 op niet-ingekeepte specimens.

Bovendien kan de procedure ook worden toegepast voor vermoeiingstests op Servo-hydraulische testmachines. Hier zou de Testfrequentie lager zijn dan op een resonantie testmachine. De belichtingstijd van de camera’s kan dus langer zijn, wat de camera-instelling moet vergemakkelijken.

Kortom, de gepresenteerde procedure biedt een eenvoudige manier om de ontwikkeling van scheuren in vermoeiingstests te bestuderen. Het maakt detectie mogelijk van technische scheuren en bewaking van scheur vermeerdering (bijv. om de scheur snelheden in vermoeiingstesten te bepalen). Het illustratieve karakter van de resultaten vergemakkelijkt de interpretatie en beoordeling ervan. De techniek is toepasbaar op resonantie testmachines met hoge laad frequenties zonder de tests te onderbreken. De metingen zijn volledig geautomatiseerd, dus er is geen continu toezicht nodig. Het is van toepassing op gelaste specimens die een relatief gecompliceerde geometrie in het gebied van belang vertonen. Op kleinschalige specimens kan de gehele breedte van het preparaat worden gedekt. Bovendien wordt de procedure gekenmerkt door een eenvoudige installatie en elementaire postverwerking, waardoor het een praktisch alternatief is voor bestaande methoden.

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Gefinancierd door de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Duitse Stichting voor onderzoek) EH 485/4-1.

Materials

ARAMIS 5M gom DIC system including two 5 megapixel cameras and control unit
ARAMIS gom v6.3.1-2 DIC software
Calibration object gom CP 20 MV 30 x 24 mm2
Camera objectives, 50 mm Titanar 2.8 / 50
Hydraulic Wedge Grip MTS 647.25A02
Hydraulic Grip Supply MTS 685.10 10,000 Psi
LED lights Diana LEDscale KSP0495-0001A 4 x 16 W LED lights
Polarization filters Schneider-Kreuznach 52,0 AUF (2 x for cameras)
Polarization filters Schneider-Kreuznach 67,0 AUF (4 x for lights)
Resonance testing machine Schenck 200 kN resonance testing machine
Resonance testing machine control unit Rumul v 2.5.3 Resonance testing machine control unit and software
Spray paint Black and white spray paint, matt
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referenzen

  1. Belloni, V., et al. Digital image correlation from commercial to FOS software: a mature technique for full-field displacement measurements. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. XLII-2, 91-95 (2018).
  2. Shrama, K., Clarke, A., Pullin, R., Evans, S. L. Detection of cracking in mild steel fatigue specimens using acoustic emission and digital image correlation. 31st Conference of the European Working Group on Acoustic Emission. , (2014).
  3. Carroll, J. D., Abuzaid, W., Lambros, J., Sehitoglu, H. High resolution digital image correlation measurements of strain accumulation in fatigue crack growth. International Journal of Fatigue. 57, 140-150 (2013).
  4. Malitckii, E., Remes, H., Lehto, P., Bossuyt, S. Full-field strain measurements for microstructurally small fatigue crack propagation using digital image correlation method. Journal of Visualized Experiments. (143), e59134 (2019).
  5. Rabbolini, S., Beretta, S., Foletti, S., Cristea, M. E. Crack closure effects during low cycle fatigue propagation in line pipe steel: An analysis with digital image correlation. Engineering Fracture Mechanics. 148, 441-456 (2015).
  6. Carroll, J. D., et al. Multiscale analysis of fatigue crack growth using digital image correlation. Proceedings of the XIth International Congress and Exposition on Experimental and Applied Mechanics. , (2008).
  7. Durif, E., Fregonese, M., Rethore, J., Combescure, A. Development of a digital image correlation controlled fatigue crack propagation experiment. EPJ Web of Conferences. 6, 31012 (2010).
  8. Maletta, C., Bruno, L., Corigliano, P., Crupi, V., Guglielmino, E. Crack-tip thermal and mechanical hysteresis in Shape Memory Alloys under fatigue loading. Materials Science & Engineering A. 616, 281-287 (2014).
  9. Rupil, J., Roux, S., Hild, F., Vincent, L. Fatigue microcrack detection with digital image correlation. The Journal of Strain Analysis for Engineering Design. 46 (6), 492-509 (2011).
  10. Risbet, M., Feissel, P., Roland, T., Brancherie, D., Roelandt, J. M. Digital image correlation technique: application to early fatigue damage detection in stainless steel. Procedia Engineering. 2, 2219-2227 (2010).
  11. Tavares, P. J., Ramos, T., Braga, D., Vaz, M. A. P., Moreira, P. M. G. P. SIF determination with digital image correlation. International Journal of Structural Integrity. 6 (6), 668-676 (2015).
  12. Hasheminejad, N., et al. Digital image correlation to investigate crack propagation and healing of asphalt concrete. Proceedings of the 18th International Conference on Experimental Mechanics. , (2018).
  13. Poncelet, M., et al. Biaxial high cycle fatigue of a type 304L stainless steel: cyclic strains and crack initiation detection by digital image correlation. European Journal of Mechanics / A Solids. 29 (5), 810-825 (2010).
  14. Corigliano, P., et al. Fatigue assessment of Ti-6Al-4V titanium alloy laser welded joints in absence of filler material by means of full-field techniques. Frattura ed Integrità Strutturale. 43, 171-181 (2018).
  15. Corigliano, P., Crupi, V., Guglielmino, E., Sili, A. M. Full-field analysis of AL/FE explosive welded joints for shipbuilding applications. Marine Structures. 57, 207-218 (2018).
  16. Koster, M., Kenel, C., Lee, W., Leinenbach, C. Digital image correlation for the characterization of fatigue damage evolution in brazed steel joints. Procedia Materials Science. 3, 1117-1122 (2014).
  17. Vanlanduit, S., Vanherzeele, J., Longo, R., Guillaume, P. A digital image correlation method for fatigue test experiments. Optics and Lasers in Engineering. 47, 371-378 (2009).
  18. Lorenzino, P., Beretta, G., Navarro, A. Application of Digital Image Correlation (DIC) in resonance machines for measuring fatigue crack growth. Frattura ed Integrità Strutturale. 30, 369-374 (2014).
  19. Kovárík, O., et al. Resonance bending fatigue testing with simultaneous damping measurement and its application on layered coatings. International Journal of Fatigue. 82, 300-309 (2016).
  20. Kovárík, O., et al. Fatigue crack growth in bodies with thermally sprayed coating. Journal of Thermal Spray Technology. 25 (1-2), 311-320 (2016).
  21. Friedrich, N., Ehlers, S. A simplified welding simulation approach used to design a fatigue test specimen containing residual stresses. Ship Technology Research. 66 (1), 22-37 (2019).
  22. Grédiac, M., Hild, F. . Full-field measurements and identification in solid mechanics. , (2013).

Tags

Crack MonitoringResonance Fatigue TestingWelded SpecimensDigital Image CorrelationFatigue PropertiesWelded DetailsSmall Scale SpecimensCyclic LoadCrack InitiationCrack PropagationSpecimen FailureSpeckle PatternStructural SteelWeld HoleResonance Testing MachineCamera SetupExposure TimeTrigger Signal

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Diesen Artikel zitieren
Friedrich, N., Ehlers, S. Crack Monitoring in Resonance Fatigue Testing of Welded Specimens Using Digital Image Correlation. J. Vis. Exp. (151), e60390, doi:10.3791/60390 (2019).
Zitat herunterladen
Nachdrucke und Berechtigungen

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image